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    媒体报道

    能源技术渐成全球新兴技术创新重要内容
    来源:本站 发布日期:2016-11-7 点击次数:906

    从2001年开始,美国《Technology Review》以其在科技领域的专业性、权威性和全面性,以“这项技术能否改变世界”作为选择的终极准则,连续11年对全球新兴技术的发展进行观察,每年选择出10项有望为人类社会带来重大影响的科学技术。

    通常情况下,这些新兴技术可以分为计算、网络、能源、生物医学几大类。然而,随着全球能源需求的加剧和全球能源产业的发展,能源及其相关领域在这些可能对人类生产生活产生重大影响的发明中占据着越来越重要的地位。

    在2010年,10大新兴技术以IT领域的发明为主,而能源领域仅有太阳能燃料和光捕捉式光伏发电技术入围。在2011年,10大新兴技术以生物医学领域的发明为主,而能源领域仅有智能变压器和固态电池技术入围。如今,2012年的10大新兴技术中能源及相关领域已经位占其三。

    不难看出,能源问题对人类社会的影响力已日趋加深,能源技术也将是最有可能改变世界的突破口。

    这10项新兴技术都具有着改变世界的巨大潜力,也都是人类一直以来所面临的大问题,其中有的来自行业研究者,有些则是在大学研究中取得的进展,但他们都在2012年取得了突破性的进展。

    众所周知,新兴技术具有创造新行业和改变已有行业的潜力。如何以科技创新推动全球经济的新增长是当下各大科技企业迫在眉睫需要解决的问题。因此,促进新兴技术的商业化和资本化发展已经成为各大企业和各个国家获取竞争能力的重要手段。在能源领域内,新兴技术不仅为能源产业带来了机遇和挑战。同时,能源技术的发展必将成为未来新兴技术发展的主要趋势。

    未来世界中的能源结构应该是百花齐放的,在风能和太阳能等清洁新能源的进一步发展下,对于化石燃料的清洁利用、碳捕集技术、页岩气等传统能源的利用方式以及降低能耗也将是继续研究的方向。我们期待着:这些能影响人类社会发展的新兴技术可以早日应用到日常的人类生产生活中,让未来的世界变得更美好。

    现在来了解一下,在2012年中有哪些能源及相关领域的新兴技术最具潜力。

    超高效太阳能

    塞木普锐斯公司是一家新创业的公司,主要制作微小型太阳能电池,这些电池能够捕捉聚焦的太阳光,而无需昂贵的冷却系统。就是这家公司在太阳能领域内创造了一项重要纪录:该公司发明的太阳能电池板可以把近34%的入射太阳光转化为电能。一旦这项技术得以规模化应用,其产生的能效将会非常高。在一些地方,其发电成本很可能会下降到足以与化石燃料发电相竞争的水平。

    通常在安装太阳能发电装置的时候都需要耗费大量的固定成本,例如用来安放太阳能电池板阵列所需的大面积土地。因此,一些研究人员在考虑如何降低太阳能发电成本时,都在试图最大限度地提高每一块太阳能电池板的转换效率。研究人员尝试着各种各样的方法,包括使用硅以外的半导体材料来制作太阳能电池板。

    在早些时候,阿尔塔设备公司曾使用一种名叫砷化镓的高效材料来制造柔韧的太阳能电池片。相对于硅,砷化镓能够更好地将光能转化为电能。受此启发,塞木普锐斯公司也使用了砷化镓材料。然而,这种材料的价格比硅的价格贵得多(见下左图)。

    公司联合创始人、伊利诺斯大学化学和工程学教授约翰·罗杰斯一直在研究某种装置的制造工艺从而可以解决成本问题。他找到了一种方法:将太阳能电池板内的单个光吸收装置,缩小至仅为600微米宽、600微米长和10微米厚后。在一块砷化镓晶片上构筑这种小电池,使用化学蚀刻和机器人系统,把每一层转移到一种廉价的基质上。这样,同一个砷化镓晶片可重复使用多次。生产出来的太阳能电池模块包含数百个微型太阳能电池,每个电池的宽度相当于圆珠笔画出的一条线,这些电池排列在透镜下,透镜可聚集大约1100倍太阳光。

    虽然聚光太阳能电池组件使用了新的半导体材料,但它们通常还需要昂贵的光学器件、冷却系统和跟踪系统,使它们保持一直朝向着太阳。面对这些问题,塞木普锐斯公司的微型太阳能电池,从本质上所产生的热量就很少,根本无需冷却,因而进一步削减了成本。同时,这种模块中的太阳能电池包含三层砷化镓,每层都经过改进,可以把不同部分太阳光谱转换成电能。规避了硅太阳能电池只能有效地吸收窄频段太阳光的弊端。此外,他们还将模块安装在双轴跟踪器上,以保证可以总是面向太阳。

    公司技术副总裁斯科特·伯勒斯表示,在未来几年内,使用其系统的公用事业公司应该能够将电价维持在8美分/千瓦时。根据美国能源信息署的数据显示,上述电价比美国的平均零售电价还要低。

    当然,这种太阳能电池也受到了使用透镜聚光的制约:只有在晴朗无云的天气,电池吸收直射阳光时,系统的工作效率才会达到最佳状态。而在其他任何条件下,电能生产则会大幅下降。

    目前,该公司已经从风险投资公司和西门子公司筹集了4400万美元资金,计划在北卡罗来纳州开办一家小型工厂,该工厂每年制造的太阳能电池板足够输出6000千瓦电能。公司希望能在2013年年底将电能产量增加至3万千瓦,但要实现这一目标,公司还需筹集到一笔数额可观的资金。

    太阳能微电网

    在印度,有近4亿生活在农村的人享受不到电网电力的服务。对他们而言,仅为手机充电就要长途跋涉到设有充电亭的镇上,而家里用来照明的工具则是煤油灯。

    为了改变这一局面,尼基尔·贾斯哈尼和布莱恩·沙德共同创办了梅拉高电力公司。该公司利用太阳能电池板和发光二极管成本下跌的时机,建立并运营了能够提供清洁照明和手机充电服务的廉价太阳能微电网。

    微电网可以将一个相对较小的发电站所发出的电能在一个有限的区域内进行配送。当然,像单个太阳能灯之类的备选解决方案也能够提供照明及手机充电,但微电网的优势在于其安装的成本可以由当地村民来分摊。此外,该系统使用的是效率更高、规模更大的发电及储电系统,这样可以降低运行的成本。

    只需花费2500美元,分成15个小组的100户村庄家庭就能连接到两个发电枢纽站。每个发电枢纽站由一组太阳能电池板和一个电池组构成。微电网自始至终都使用24伏的直流电源,因此该系统可以使用铝线连接,替换了价格较贵的铜线,而铜线更适用于电压更高的交流配电系统。在铺设微电网之前,梅拉高电力公司要对村庄的地形进行绘制,以确保配电线路的分布最有效。贾斯哈尼说:“制图和设计是我们最大的创新。”

    这些偏远村庄的每户家庭如果每月预付100卢比(约2美元)的费用,每天晚上就能获得0.2安培的电量,可连续使用7小时,足够点亮两盏发光二极管灯和为一台手机充电。而每月的煤油灯和在充电亭为手机充电的费用通常在100到150卢比不等。

    梅拉高电力公司所部署的第一个商业性微电网成功运营之后,又有8个较偏远的村庄加入了这个项目。在得到美国国际开发署30万美元的资助后,该公司计划于今年再完成至少40个村庄的微电网架设工作。

    梅拉高电力公司的成功鼓励了其他企业进军印度市场,提供离网型的可再生能源。总部位于华盛顿的世界资源研究所估计,印度离网型可再生能源市场的规模可达每年20亿美元。

    贾斯哈尼表示,梅拉高电力公司的微电网并不是电网电力的替代品,但它却是当下印度普通人想要的且支付的起的服务。目前,这项技术只能支持照明和手机充电,但该公司正在探索其他的用途,譬如建立社区娱乐中心,把电视、广播、风扇及信息服务的成本也由一组家庭来分摊,改变过去由单个用户承担的模式。

    高速筛选电池材料

    有了使用新材料制成的电池,可以延长电动汽车的行程,可以保证智能手机使用更强大的处理器和更炫目的屏幕。美国加利福尼亚州圣迭戈的野猫发现技术公司(Wildcat Discovery Technologies)一直从事有关高速筛选的业务,并正在开发一种新的自动化方法,用于高速筛选出制造电池电极的新材料。

    这家公司正通过逐一测试数千种物质,来加速识别出有价值的能源存储材料。此前,他们对外公布了一种磷酸钴锂阴极,在普及型的锂离子磷酸盐电池中,比通用阴极能多提升超过25%的能量密度。该公司同时还展示了一种可以让电池在较高电压下更稳定工作的电解液。

    如何为电池选择一种理想的材料一直是一个特别棘手的难题。我们知道,电池装置有三大主要组件:阳极、阴极和电解液。不仅每个组件都是由很多种物质混合形成,而且三者之间还必须协同良好。这就给研究人员留下了无数种尚待开发的具有潜力的组合方式。

    为了使研究人员能够快速整理出材料的组合方式,野猫发现技术公司采用了一种最初应用在药物开发实验室中的方法:高通量组合化学法。利用这种方法,他们告别了过去一次只测试一种材料的模式,而是系统化地平行开展数千项测试。该公司的首席执行官马克·格雷瑟尔说:“我们在一个星期内,分析和测试出近3000种材料组合,同时已经找到了能够将能量密度提升3倍的材料。”

    为了避免实验中发现的理想材料不适用于具有成本效益的大规模生产流程。野猫发现技术公司找到了利用大规模生产技术的缩微版来制造样品的方法。在实施中,在对候选材料的性能进行测试的同时,也对它们是否便于制造进行测试。除此之外,野猫公司还在各式各样的潜在运行条件下,将材料组件连在一起组装成实际的电池进行测试(见下右图)。
     

    雷瑟尔说:“包括温度和电压在内的很多变量都会对电池性能构成影响,我们必须检验所有这些变量。”其高速筛选的方法最终取得了喜人的成果:在试验台上表现优异的材料,拿到生产现场检验也同样出色。

    野猫发现技术公司始建于2006年,已筹到1650万美元的风险基金。公司创始人彼得·舒尔茨是斯克里普斯研究所教授,也是高通量组合化学法的开拓者。目前,该公司靠与大型电池生产商合作的40多个研究项目获得收益。

    如今,公司正在生产检测批次的新材料,希望把这项技术授权给材料和电池公司,但这些材料的耐用性还有待提高。经过150个充电周期后,这些电极材料的容量就会下降20%。要用于便携式电子产品,这种电池需要持续使用数百个周期。用于电动汽车,电池必须保持80%的存储容量,使用数千个周期。

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